工业4.0 资产管理壳学习笔记

Posted 2022-11-27 姚家湾

何谓资产？

       工业4.0的观点下，资产是任何“对组织具有价值的对象（object which has a value for an organization）”。因此，工业4.0中的资产几乎可以采取任何形式，例如生产系统，产品，软件安装，知识产权甚至人力资源。

资产管理壳

管理壳是资产的数字化表示。它的结构如下图所示：

       AAS 有两个接口：AAS 和资产之间通信的任何接口，以及不同 AAS 之间通信的符合 I4.0 的接口。

       资产管理壳中包含工程设计，运行，维护各个阶段所需要的所以信息。也就是产品生命过程中的所有信息，包括说明书，接口，能力说明所有的信息。所以，管理壳并不是局限于运行中使用，在采购，设计，运行，维护都需要使用AAS。

        AAS 包含了设备生命周期中所需要的任何事情。AAS 是未来工业界最重要的交互的信息。他们包括了供应商与厂商，管理软件与设备，产线中设备与设备之间的信息交互。它们并不局限于设备之间的控制和信息交换。这个观点必须铭记在心。在一个大的视野下掌握I4.0 的知识。

 AAS 的应用涉及到企业的IT，OT 和管理部门使用。也可以被工业界共享。

        AAS 商业成功的关键在于互操作型和标准化，当工业界达成共识，并且形式一个完整的生态系统，才能够是否出巨大的商业价值。这不是能够轻而易举地实现的，也不能依靠某一个企业的努力能够实现的。它需要政府，行业协会，标准化组织，企业，科研部门共同的努力才可能实现。我们需要充分地理解这一点。并且不断地探索新型的合作和商业模式，促进工业4.0 时代的早日到来。

I4.0 组件

      在工业4.0 的观点下， 使用AAS描述的对象是一个I4.0 组件（I4.0 component）。这个对象可以是一台注塑机，一个阀门，或者是生产线中的一个单元，例如一台CNC 设备加上机械臂，托盘。I4.0 组件也可以是一个软件系统，例如MES 或者ERP。在工业4.0的观点下，生产线是由一组I4.0 组件构成。

资产管理壳的三种类型

文件型被动AAS

     管理外壳包含 说明属性，参数、变量和过程 能力 在里面形式的 所谓的子楷模。 这个抽象上 资产能够是 访问， 阅读和 由其他组件操纵。这种类型的被动方面AAS 意味着这些能力回应 外部请求和命令以及无法采取主动并做出决定以实现 自己的目标。

编程型AAS（ProActive）

内容基本上与文件型AAS 相同，但是只能通过网络接口与API进行访问。

主动AAS （I4.0 语言访问型）

        在I4.0的应用中，设备管理壳需要一些主动的智能化场景，主动意味着可以根据环境和资产管理壳内部的变化作出主动的改变。VDI/VDE 2193提出了I4.0 组件的AAS之间的交互语言I4.0 语言。它是一种基于消息（message） 的通信协议。

 

在一些演示中，将AAS 的xml 文档和AAS 引用中使用的文件打成一个压缩文件，其后缀是aasx.从网络上下载的aasx 解压后可以看出来。 

被动 AAS 模型

AAS 模型采用AutomationML或者XML来描述。

子模型

      AAS 包括子模型的概念，每个子模型都可以通过描述资产在不同领域的方面来表征资产。领域示例包括识别、通信、工程、安全、安保、生命周期状态、能源效率、健康状态、过程控制。子模型还描述了资产的功能：钻孔、铣削、焊接、组装、混合、加热、反应等。每个子模型由多个属性描述，这些属性由唯一的全局标识符和一组明确定义的属性定义。AAS 属性是首选名称、符号、测量单位、定义等。

   被动AAS 的核心是标准化的资产的属性和功能，它们使用机器可读的格式来描述。AAS是资产的标准表现，被其它AAS 或者非I4.0 应用使用。子模型以及它们的元素能够被阅读和启动和停止其中的功能。

资产的语义清晰和机器可读格式非常的重要。它能够加快自动化技术组件的互操作性和集成。

主动AAS

主动AAS 的结构如下：

         从上面的图可以看出，主动AAS 和被动AAS 相比，增加了一部分算法。以及与外部的交互。值得注意的是，AAS 的算法和资产内部的控制算法的不同的。AAS的算法是建立在内部控制算法之上的算法。

主动AAS 包括了如下几个部分：

交互管理Interaction Manager (IM)

消息Messeng

组件管理 Component manager

算法Algorithms

I4.0 语言

        VDI/VDE 2193-1定义了消息的结构和类型。I4.0 语言是一种基于消息的协议，在4.0 语言的观点下。每个AAS 提供某些service（例如钻孔，激光切割等都是一种服务） 。通信分为请求服务者和服务提供者

服务请求者通过发送请求推荐（call for proposal）。

服务提供者相应”请求推荐“，发送”推荐“，也可以发送”拒绝推荐“。

I4.0 语言的消息能够使用多种消息系统承载，例如使用MQTT 承载I4.0 的消息

用于 工业4.0 资产管理壳的 OPC UA 模型

        作为一种基于信息模型的协议和建模方法，也能够被用来描述AAS。2021年4月，OPCUA 发布了OPC 30270 -OPC UA for Asset Administration Shell (AAS)。该规范中详细地描述了AAS 到OPCUA 的映射。

        AAS 元模型中所有的类模型都是名称+前缀AAS+后缀Type 。例如AASAssetType 永远资产类型Asset。AASSubmodelElementType用于子模型单元。

 我们在这里描述几个重要的映射关系：

1. AAS 子模型的操作类型 AASOperationType 转换成为OPCUA的方法。

       AASOperationType 封装了OPCUA 的方法名称为“Operation” ，他没有参数，参数通过引用“HasDictionaryEntry” 指向输入输出变量的语义定义。

注意： 这里的UPCUA 方法是Operation ，而AASOperationType 的实例可以是不同的名称。

Method_xy_name (
       [InputArgument]
0:PropertyType                  BrowseNameA
0:PropertyType                  BrowseNameB
                   … 
       [OutputArgument]
0:PropertyType                  BrowseNameK
0:PropertyType                  BrowseNameL
                   …
)

1. AAS 子模型中的“事件” 转换成为OPCUA 的时间 AASEventType 类型。

 OPC UA I4.0 AAS 的规范和一致性服务器

   一个标准的AAS 服务器包括：

AAS 解决方案

目前已经开发了一些AAS 的工具软件：

 开发AAS 服务器的基本流程

1 构建AASX 包文件

比如使用AASX Package Explorer。

2 重新编译 AASX server，将AASX 包文件结合进去。

3 可以将AASX 和资源部署在一起，也可以在外部建立AASX 服务器

    AASX 相对比较大，需要2 CPU核， 4 GB RAM 用于 .NETCore,   8 GB RAM 用于 docker engine,磁盘空间不小于10 GB.

不同AAS 格式及其转换

        AAS 格式的标准化与互操作性至关重要。但是AAS可以转换成其他的信息模型，例如基于OPCUA 模型。因此在学习AAS 时，经常会对AAS的格式感到困惑。这里简单地记录一下：

plattform-i40 的AAS

        该平台由德国联邦经济事务和气候行动部以及联邦教育和研究部以及来自工业、科学和工会的高级代表指导和领导。来自商业、科学、协会和工会的专家与来自各联邦部委的代表在专题工作组中共同制定运营解决方案。这大概就是所谓的AAS metamodel 吧？

Plattform Industrie 4.0 - Homepage

        这个网站上有大量AAS 的文章。应该是比较权威的AAS规范 。它的AAS包括了Header 和Body 的结构。

openAAS

这是另外一种AAS 的结构，基于了AAS Submodel 的格式。它是由RWTH Aachen大学的过程控制工程机构的主席和德国电气与电子制造商协会（ZVEI）推荐的AAS 结构。

https://www.zvei.org/en/

 

OPC 30270: OPC UA for Asset Administration Shell (AAS)

        opc ua 在2021年6月4 日发布了OPC 30270: OPC UA for Asset Administration Shell (AAS)

在该文件中，规范了AAS的OPC UA 的信息模型。使用了Submodel，SubmodelElement 等模型。

这些模型都是能够相互转换的。 

AAS -> OpenAAS

 AAS ->OPC UA Device Interface

 

 这些格式转换中一致性和标准化也是要十分小心的。的确，应了那句话：“厨房里的厨师太多！”，有点无所适从。

 结束语

 本文简单地介绍了工业4.0 资产管理壳一些基本概念。在笔者看来，基于AAS 基础的工业4.0 的应用是不容易在短期内一蹴而就的。需要政府，标准化组织，行业协会，自动化厂商，研究机构和工业领域共同努力，并达成一致才可能实现。并不是做一些软件，或者设备就能够实现的，其中有大量的基础工作要做，甚至于工业领域开发，设计，供应链，生产方式都将发生巨大的改变。依靠科研机构或者一些自动控制设备厂商是难以实现其商业价值。在发展的初期，寻找创新的推广方式和商业模式至关重要。